22/07/13Zaman Gecikmeli Entegrasyon (TDI), dijital görüntülemenin öncüsü olan bir görüntüleme tekniğidir; ancak günümüz görüntüleme teknolojilerinde hala muazzam avantajlar sağlar. TDI kameraların öne çıkabileceği iki durum vardır: Her ikisi de görüntülenecek nesnenin hareket halinde olduğu durumlardır:
1 – Görüntüleme konusu, ağ incelemesinde (hareket eden kağıt, plastik veya kumaş tabakalarını kusur ve hasar açısından taramak gibi), montaj hatlarında veya mikro akışkanlarda ve akışkan akışlarında olduğu gibi, doğası gereği sabit bir hızla hareket halindedir.
2 – Bir kameranın bir alandan diğerine hareket ettirilmesiyle görüntülenebilen statik görüntüleme nesneleri. Örnekler arasında mikroskop slayt taraması, malzeme incelemesi, düz panel incelemesi vb. yer alır.
Bu durumlardan herhangi biri görüntülemeniz için geçerliyse, bu web sayfası, geleneksel 2 boyutlu 'alan tarama' kameralarından Çizgi Tarama TDI kameralarına geçmenin görüntülemenize bir ivme kazandırıp kazandırmayacağını değerlendirmenize yardımcı olacaktır.
Alan Tarama ve Hareketli Hedeflerle İlgili Sorun
● Hareket Bulanıklığı
Bazı görüntüleme nesneleri, örneğin akışkan akışı veya ağ incelemesi gibi, zorunluluktan dolayı hareket halindedir. Slayt tarama ve malzeme incelemesi gibi diğer uygulamalarda, nesneyi hareket halinde tutmak, elde edilen her görüntü için hareketi durdurmaktan çok daha hızlı ve verimli olabilir. Ancak, alan tarama kameralarında, görüntüleme nesnesi kameraya göre hareket halindeyse, bu bir zorluk oluşturabilir.
Hareket eden bir aracın görüntüsünü bozan hareket bulanıklığı
Aydınlatmanın sınırlı olduğu veya yüksek görüntü kalitesinin gerekli olduğu durumlarda, uzun bir kamera pozlama süresi gerekebilir. Ancak, öznenin hareketi, pozlama sırasında ışığını birden fazla kamera pikseline yayarak "hareket bulanıklığına" yol açar. Bu durum, pozlama sürelerini çok kısa tutarak (özne üzerindeki bir noktanın bir kamera pikselini geçmesi için gereken süreden daha kısa) en aza indirilebilir. Bu,ungenellikle karanlık, gürültülü, çoğu zaman kullanılamaz görüntülerin ortaya çıkması pahasına.
●Dikiş
Ek olarak, alan tarama kameralarıyla büyük veya sürekli görüntü konularının görüntülenmesi, genellikle birden fazla görüntünün alınmasını ve ardından bunların birleştirilmesini gerektirir. Bu birleştirme, komşu görüntüler arasında piksellerin üst üste binmesini gerektirir, bu da verimliliği azaltır ve veri depolama ve işleme gereksinimlerini artırır.
●Eşit olmayan aydınlatma
Dahası, aydınlatma, birleştirilmiş görüntüler arasındaki sınırlarda oluşabilecek sorunları ve eserleri önlemek için nadiren yeterli olacaktır. Ayrıca, alan tarama kamerası için yeterince geniş bir alanda yeterli yoğunlukta aydınlatma sağlamak, genellikle yüksek güçlü ve yüksek maliyetli DC ışık kaynaklarının kullanılmasını gerektirir.
Fare beyninin çoklu görüntü alımında dikiş sırasında oluşan eşit olmayan aydınlatma. Watson ve ark.'nın 2017 tarihli görseli: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
TDI kamera nedir ve nasıl yardımcı olur?
Geleneksel 2 boyutlu alan taramalı kameralarda, görüntü elde etmenin üç aşaması vardır: piksel sıfırlama, pozlama ve okuma. Pozlama sırasında, sahneden gelen fotonlar algılanır ve bu da pozlama sonuna kadar kamera piksellerinde depolanan fotoelektronların oluşmasına neden olur. Her pikselden alınan değerler daha sonra okunur ve 2 boyutlu bir görüntü oluşturulur. Pikseller daha sonra sıfırlanır ve bir sonraki pozlamaya başlamak için tüm yükler temizlenir.
Ancak, daha önce de belirtildiği gibi, görüntülenecek nesne kameraya göre hareket ediyorsa, nesneden gelen ışık bu pozlama sırasında birden fazla piksele yayılarak hareket bulanıklığına yol açabilir. TDI kameralar, yenilikçi bir teknik kullanarak bu sınırlamanın üstesinden gelir. Bu durum [Animasyon 1]'de gösterilmiştir.
●TDI Kameralar Nasıl Çalışır?
TDI kameralar, alan tarama kameralarından temelde farklı bir şekilde çalışır. Görüntülenen nesne pozlama sırasında kamera üzerinde hareket ettikçe, elde edilen görüntüyü oluşturan elektronik yükler de hareket eder ve senkronize kalır. Pozlama sırasında TDI kameralar, elde edilen tüm yükleri, kamera boyunca bir piksel sırasından diğerine, görüntülenen nesnenin hareketiyle senkronize olarak aktarabilir. Nesne kamera üzerinde hareket ettikçe, her sıra ("TDI Sahnesi" olarak bilinir), kamerayı nesneye maruz bırakmak ve sinyal toplamak için yeni bir fırsat sunar.
Elde edilen yüklerden oluşan bir sıra kameranın ucuna ulaştığında, değerler ancak o zaman okunur ve görüntünün 1 boyutlu bir kesiti olarak saklanır. 2 boyutlu görüntü, kamera görüntülerken ardışık görüntü kesitlerinin birbirine yapıştırılmasıyla oluşturulur. Elde edilen görüntüdeki her piksel sırası, görüntülenen nesnenin aynı 'kesitini' izler ve görüntüler, yani harekete rağmen bulanıklık olmaz.
●256x Daha Uzun Pozlama
TDI kameralarda, görüntünün etkin pozlama süresi, nesne üzerindeki bir noktanın her piksel satırını geçmesi için geçen toplam süreyle belirlenir ve bazı TDI kameralarda 256 aşamaya kadar kullanılabilir. Bu, mevcut pozlama süresinin, alan taramalı bir kameranın elde edebileceğinden 256 kat daha fazla olduğu anlamına gelir.
Bu, iki iyileştirmeden birini veya her ikisinin bir dengesini sağlayabilir. İlk olarak, görüntüleme hızında önemli bir artış sağlanabilir. Bir alan tarama kamerasına kıyasla, görüntülenecek nesne aynı miktarda sinyali yakalarken 256 kata kadar daha hızlı hareket edebilir; kameranın hat hızı buna ayak uyduracak kadar hızlıysa.
Öte yandan, daha fazla hassasiyet gerekiyorsa, daha uzun pozlama süresi çok daha yüksek kaliteli görüntülere, daha düşük aydınlatma yoğunluğuna veya her ikisine birden olanak sağlayabilir.
●Birleştirme olmadan büyük veri akışı
TDI kamera, ardışık 1 boyutlu dilimlerden 2 boyutlu bir görüntü ürettiğinden, elde edilen görüntü gerektiği kadar büyük olabilir. 'Yatay' yöndeki piksel sayısı kameranın genişliğiyle (örneğin 9072 piksel) belirlenirken, görüntünün 'dikey' boyutu sınırsızdır ve yalnızca kameranın ne kadar süreyle çalıştığına göre belirlenir. 510 kHz'e varan hat hızlarıyla bu, muazzam bir veri akışı sağlayabilir.
Bununla birlikte, TDI kameralar çok geniş görüş alanları sunabilir. Örneğin, 5µm pikselli 9072 piksellik bir kamera, yüksek çözünürlükle 45 mm yatay görüş alanı sağlar. 5µm piksel alan taramalı bir kamerayla aynı görüntüleme genişliğine ulaşmak için yan yana en fazla üç adet 4K kamera gerekir.
●Satır tarama kameralarına göre iyileştirmeler
TDI kameralar, alan taramalı kameralara kıyasla yalnızca iyileştirmeler sunmakla kalmaz. Sadece tek bir piksel satırını yakalayan çizgi taramalı kameralar da, alan taramalı kameralarla aynı aydınlatma yoğunluğu ve kısa pozlama sorunlarının çoğundan muzdariptir.
TDI kameralar gibi, çizgi taramalı kameralar da daha basit bir kurulumla daha eşit aydınlatma sağlasa ve görüntü birleştirme ihtiyacını ortadan kaldırsa da, yüksek kaliteli bir görüntü için yeterli sinyali yakalamak adına genellikle çok yoğun aydınlatma ve/veya yavaş nesne hareketi gerektirebilirler. TDI kameraların sağladığı daha uzun pozlamalar ve daha hızlı nesne hızları, görüntüleme verimliliğini artırırken daha düşük yoğunluklu ve daha düşük maliyetli aydınlatmanın kullanılabileceği anlamına gelir. Örneğin, bir üretim hattı, DC güç gerektiren yüksek maliyetli ve yüksek güç tüketimli halojen ışıklardan LED aydınlatmaya geçebilir.
TDI kameralar nasıl çalışır?
Bir kamera sensöründe TDI görüntülemenin nasıl elde edileceğine dair üç ortak standart vardır.
● CCD TDI– CCD kameralar, en eski dijital kamera türüdür. Elektronik tasarımları sayesinde, bir CCD'de TDI davranışı elde etmek nispeten basittir ve birçok kamera sensörü doğası gereği bu şekilde çalışabilir. Bu nedenle TDI CCD'ler onlarca yıldır kullanılmaktadır.
Ancak CCD teknolojisinin de sınırlamaları vardır. CCD TDI kameralar için yaygın olarak bulunan en küçük piksel boyutu yaklaşık 12µm x 12µm'dir; bu, düşük piksel sayısıyla birlikte kameraların ince ayrıntıları çözümleme yeteneklerini sınırlar. Dahası, yakalama hızı diğer teknolojilere göre daha düşükken, düşük ışıkta görüntülemede önemli bir sınırlayıcı faktör olan okuma gürültüsü yüksektir. Güç tüketimi de yüksektir ve bu, bazı uygulamalarda önemli bir faktördür. Bu durum, CMOS mimarisine dayalı TDI kameralar geliştirme isteğini doğurmuştur.
●Erken CMOS TDI: Voltaj alanı ve dijital toplama
CMOS kameralar, CCD kameraların birçok gürültü ve hız sınırlamasının üstesinden gelirken, daha az güç tüketir ve daha küçük piksel boyutları sunar. Ancak, piksel tasarımları nedeniyle CMOS kameralarda TDI davranışına ulaşmak çok daha zordu. CCD'ler, sensörü yönetmek için fotoelektronları fiziksel olarak pikselden piksele taşırken, CMOS kameralar okumadan önce fotoelektronlardaki sinyalleri her pikseldeki voltajlara dönüştürür.
CMOS sensördeki TDI davranışı 2001'den beri araştırılmaktadır, ancak pozlama bir satırdan diğerine geçerken sinyal 'birikiminin' nasıl ele alınacağı önemli bir zorluktu. Günümüzde ticari kameralarda hala kullanılan iki eski CMOS TDI yöntemi, voltaj alanı birikimi ve dijital toplamlı TDI CMOS'tur. Voltaj alanı birikimi kameralarında, görüntülenecek nesne geçerken her bir sinyal satırı elde edildiğinde, elde edilen voltaj, görüntünün o kısmı için toplam edinime elektronik olarak eklenir. Voltajların bu şekilde biriktirilmesi, eklenen her ekstra TDI aşaması için ek gürültü oluşturarak ek aşamaların faydalarını sınırlar. Doğrusallıkla ilgili sorunlar da bu kameraların hassas uygulamalar için kullanımını zorlaştırmaktadır.
İkinci yöntem, dijital TDI toplama yöntemidir. Bu yöntemde, bir CMOS kamera, görüntülenen nesnenin tek bir piksel satırı üzerinde hareket etmesi için gereken süreye uygun çok kısa bir pozlama ile alan tarama modunda çalışır. Ancak, her ardışık karedeki satırlar, bir TDI etkisi yaratacak şekilde dijital olarak toplanır. Elde edilen görüntüdeki her piksel satırı için kameranın tamamının okunması gerektiğinden, bu dijital ekleme işlemi aynı zamanda her satır için okuma gürültüsü ekler ve yakalama hızını sınırlar.
●Modern standart: şarj alanı TDI CMOS veya CCD-on-CMOS TDI
CMOS TDI'ın yukarıda belirtilen sınırlamaları, son zamanlarda CCD-on-CMOS TDI olarak da bilinen yük alanı birikimli TDI CMOS'un piyasaya sürülmesiyle aşılmıştır. Bu sensörlerin çalışması [Animasyon 1]'de gösterilmiştir. Adından da anlaşılacağı gibi, bu sensörler, yüklerin bir pikselden diğerine CCD benzeri hareketini sağlayarak, her TDI aşamasında ayrı ayrı yük seviyelerine fotoelektronlar ekleyerek sinyal biriktirir. Bu, etkili bir şekilde gürültüsüzdür. Ancak, CCD TDI'ın sınırlamaları, CMOS kameralarda yaygın olan yüksek hız, düşük gürültü ve düşük güç tüketimini sağlayan CMOS okuma mimarisinin kullanımıyla aşılmıştır.
TDI Özellikleri: Önemli olan nedir?
●Teknoloji:En önemli faktör, yukarıda da belirtildiği gibi hangi sensör teknolojisinin kullanıldığıdır. Charge-domain CMOS TDI en iyi performansı sağlayacaktır.
●TDI Aşamaları:Bu, sinyalin toplanabileceği sensör satır sayısıdır. Bir kameranın TDI kademesi sayısı ne kadar fazlaysa, etkili pozlama süresi o kadar uzun olabilir. Veya kamera yeterli çizgi hızına sahipse, görüntülenen nesne o kadar hızlı hareket edebilir.
●Hat Oranı:Kameranın saniyede kaç satır okuyabileceği. Bu, kameranın ulaşabileceği maksimum hareket hızını belirler.
●Kuantum Verimliliği: Bu, kameranın farklı dalga boylarındaki ışığa olan duyarlılığını gösterir ve bir gelen fotonun algılanıp bir fotoelektron üretme olasılığına bağlıdır. Daha yüksek kuantum verimliliği, aynı sinyal seviyelerini korurken daha düşük aydınlatma gücü veya daha hızlı çalışma sağlayabilir.
Ayrıca, kameralar iyi hassasiyetin elde edilebileceği dalga boyu aralığına göre farklılık gösterir; bazı kameralar spektrumun ultraviyole (UV) ucuna, yaklaşık 200 nm dalga boyuna kadar hassasiyet sunar.
●Okuma Gürültüsü:Okuma gürültüsü, bir kameranın hassasiyetindeki diğer önemli faktördür ve kameranın gürültü tabanının üzerinde tespit edilebilecek minimum sinyali belirler. Yüksek okuma gürültüsünde, karanlık özellikler tespit edilemez ve dinamik aralık ciddi şekilde azalır; bu da daha parlak aydınlatma veya daha uzun pozlama süreleri ve daha yavaş hareket hızları kullanılması gerektiği anlamına gelir.
TDI Özellikleri: Önemli olan nedir?
TDI kameralar şu anda ağ denetimi, elektronik ve üretim denetimi ve diğer makine görüş uygulamaları için kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra, floresan görüntüleme ve slayt tarama gibi zorlu düşük ışık uygulamaları da mevcuttur.
Ancak, yüksek hızlı, düşük gürültülü ve yüksek hassasiyetli TDI CMOS kameraların piyasaya sürülmesiyle, daha önce yalnızca alan taramalı kameraların kullanıldığı yeni uygulamalarda hız ve verimlilik artışı için büyük bir potansiyel bulunmaktadır. Makalenin başında da belirttiğimiz gibi, TDI kameralar, hem sürekli hareket halindeki nesnelerin görüntülenmesinde hem de kameranın statik görüntü nesneleri arasında tarama yapabildiği durumlarda yüksek hızlara ve yüksek görüntü kalitesine ulaşmak için en iyi seçim olabilir.
Örneğin, bir mikroskopi uygulamasında, 5 µm pikselli, 9K pikselli, 256 sahneli bir TDI kameranın teorik edinim hızını, 5 µm pikselli, 12 MP kamera alan tarama kamerasıyla karşılaştırabiliriz. Sahneyi hareket ettirerek 20x büyütmeyle 10 x 10 mm'lik bir alanın edinilmesini inceleyelim.
1. Alan tarama kamerasıyla 20x objektif kullanıldığında 1,02 x 0,77 mm'lik bir görüntüleme alanı elde edilir.
2. TDI kamera ile, mikroskop görüş alanındaki herhangi bir sınırlamayı aşmak için 2x ek büyütmeli 10x objektif kullanılarak 2,3 mm yatay görüntüleme alanı sağlanabilir.
3. Birleştirme amacıyla görüntüler arasında %2 piksel örtüşmesi, sahneyi belirli bir konuma taşımak için 0,5 saniye ve 10 ms pozlama süresi varsayıldığında, alan tarama kamerasının alacağı süreyi hesaplayabiliriz. Benzer şekilde, sahne Y yönünde sürekli hareket halinde tutularak satır başına aynı pozlama süresiyle TDI kameranın alacağı süreyi de hesaplayabiliriz.
4. Bu durumda, alan tarama kamerasının 140 görüntü alması ve sahneyi hareket ettirmek için 63 saniye harcaması gerekir. TDI kamerası ise sadece 5 uzun görüntü alır ve sahneyi bir sonraki sütuna taşımak için sadece 2 saniye harcar.
5. 10 x 10 mm'lik alanın elde edilmesi için harcanan toplam süre ne kadar olacaktır?Alan tarama kamerası için 64,4 saniye,ve sadeceTDI kamera için 9.9 saniye.
Bir TDI kameranın uygulamanıza uygun olup olmadığını ve ihtiyaçlarınızı karşılayıp karşılamadığını görmek istiyorsanız, bugün bizimle iletişime geçin.
